根瘤菌菌株和接种根瘤菌植株的耐旱性研究进展

周利平1

,刘文杰2

,马焕成

1*

,伍建榕2

(1.西南林学院,国家林业局西南地区生物多样性保育重点实验室,云南昆明650224;2.西南林学院保护生物学学院,云南昆明650224)

摘要 干热地区适生豆科树种及其特有的固氮根瘤菌为该地区生态植被恢复和农业生产能力提高提供了新的方法和发展思路。在干热地区能筛选出耐干热的根瘤菌菌株和接种根瘤菌植株,接种耐干热的根瘤菌能提高寄主豆科植物的耐干热能力,但其机理国内外鲜有研究。

关键词 根瘤菌;耐干热性;接种

中图分类号 X17 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2010)22-11978-03

R esear ch P rogr ess on Drought R esi stance of Rhizobi um Stra i ns and P l ants Inoculated with Rh i zobiu m ZHOU L i 2ping et a l (Key Laboratory of B i odi versityConservati on i n South westChi na of State ForestryAd m i nistratio n ,Sout h west Forestry Uni versity ,Kun m i ng ,Yunnan 650224)

Abstra ct The adapti ve l eg u m es s pec i es and particular nitrogen 2fi xing bacteria i n t he dry 2hot areas provi de the ne w me t hod and deve l op m ent ment a lit y for recoveri ng t he l ocal ecol ogy vegetati on and m i provi ng t he agr i cu lt ura lproducti on abilit y .Itwas f ound that t he dro ug ht and hot re 2sistant Rhiz obiu m strai ns and p l ants i noculated wit h Rhi zobiu m can be screened o ut fro m dry 2hot areas .The inoculated dro ught and hot resistant Rhizo bi u m stra i ns co u l d m i pro ve t he drought and hot tolerant abilit y of pl ants .H o wever ,itsmechanis m rarel y has been researched at ho m e and abroad .

K ey words Rhizo biu m ;Droug ht and hot tol erance ;Inocul ati on

基金项目 国家自然科学基金项目(30760199);云南省重点学科森林

保护学项目(XKZ200905)。

作者简介 周利平(1985-),男,湖北监利人,硕士研究生,研究方向:

森林培育学。*通讯作者,教授。

收稿日期 2010204208

根瘤菌在分类上归属于变形杆菌门的根瘤菌目(Rh i z o 2b i ales)。自1675年德国学者Mal p i gh i 观察到了菜豆(Phase 2ol u s vul garis )和蚕豆(Vicia fab a )上的根瘤,1888年荷兰的Beijeri nc k 首次从豆科植物根瘤中分离出根瘤菌以来,国内外许多学者为揭开这一大自然的奥秘进行了大量研究,在根瘤菌的形态学、生理学、生物化学、遗传学和生态学等方面已取得了重要进展,并将科学成果应用到生产实践中去。随着根瘤菌资源的不断挖掘和新技术的使用,根瘤菌分类研究取得了新的进展,已由原来的2属4种增加到7属33种。

全球有40%以上的陆地属于旱地,据保守估计,旱地退化比例已达到10%~20%,还有更大范围的旱地面临退化威胁。干旱地区需要尽快实现传统农业和家畜养殖业向新的生存模式的转换,以减轻人为因素造成的土壤荒漠化。在传统知识、当代科技和创新科学研究恰当融合的基础上,对干旱地区的农业研究对弥补干旱地区不断恶化的环境问题、改善所有居住在这些荒芜地区的人们的生活福利具有重要意义。

部分豆科植物的根瘤菌菌株和接种根瘤菌的植株在干热条件下能顺利地更新和延续。不同干热地区根瘤菌和豆科植物的资源调查已经发现其特有的耐干热性,但对于它们之间协调共生适应干热环境的相关关系和反应机理迄今国内外还鲜有研究。1 根瘤菌的耐旱性

1.1 根瘤菌对干旱的适应 土壤缺水一方面影响植物根毛的生长,从而减少根瘤菌感染的机会;一方面根瘤菌在干燥土壤中繁殖受到,不易与豆科植物共生结瘤,使根瘤菌的存活受到影响。但不良生长环境很可能孕育出一些独

特的根瘤菌菌种资源。贺学礼等

[1]

与何一等

[2]

在对陕西黄

土高原豆科植物资源调查研究中也表明,在豆科植物根瘤的形成及固氮活性等方面都与寄主生长的土壤条件及寄主特性密切相关。调查发现,绝大多数的豆科植物在干旱条件下形成的根瘤少或固氮活性很低,这可能是与植物长期生长于干旱胁迫条件下所产生的适应性有关。杨亚玲等对西北地区甘草根瘤菌的研究中表明,在西北干旱、半干旱地区,不同地理来源,同一地理来源,甚至同一植株不同根瘤菌株间在抗逆性方面都存在着差异,表现出巨大的表型多样性[3]

。

在沙漠地区土壤中,根瘤菌群落的生活迹象和当地豆科植物有效的结瘤现象表明根瘤菌能存在于极限水分含量的土壤中,众所周知,有一些自生生活的根瘤菌(腐生性的)具有残存在干旱胁迫或低水分条件下的潜力[4]。李力等[5]、黄明勇等

[6]

对花生根瘤菌(Br adyrhiz obi um sp A rachis)的抗旱性

研究发现,花生根瘤菌在不同的土壤干旱条件下有不同的存活数,且在所研究的花生根瘤菌中存在有抗旱性较强的菌

株。陈文新[7]、关桂兰等[8]、黄玲等[9]

对干旱地区根瘤菌资源的调查研究就发现,地区根瘤菌的生长繁殖及对寄主植物侵染结瘤和固氮作用明显不同于其他的生态区,它不仅能在高温、干旱、盐碱等不利条件下很好地生长繁殖,而且还能侵染寄主并使之结瘤固氮,从而表现出对环境的良好适应性。对干旱条件影响作出不同抗性能力的反应不仅表现在同种根瘤菌中,不同生长型的根瘤菌也有不同的反应。一般认为,快生型根瘤菌对干旱条件的耐受性远低于慢生型根瘤菌,可相差达2个数量级

[10]

。

可以看出,根瘤菌的这种对干旱环境表现出来的不同反应,不仅与其本身对干旱条件的耐受力有关,与生活的环境也有很大的相关性,是一种协同进化的反应。

在利用聚乙二醇6000(P EG6000)人工模拟干旱条件下,南宏伟等在对相思树根瘤菌优良抗逆性菌株的筛选的研究中,接种供试菌株后,置于28e 、100r/m i n 的条件下摇床培养,发现多数菌株生长的最适P EG 浓度在10%以下,P EG 处

责任编辑 李菲菲 责任校对 李岩

安徽农业科学,J ournal of An hu iA g r.i Sc.i 2010,38(22):11978-11980,11983

无论自然条件还是人工模拟干旱条件下,根瘤菌的反应都是高度敏感的,但耐旱的菌株还是能筛选出来的。

1.2根瘤菌对高温的适应温度是影响根瘤菌生长发育的因素之一。高土壤温度是热带和亚热带地区的豆科作物生物固氮作用一个主要的瓶颈[14]。一般认为,根瘤菌的最适生长温度为25~30e,只有少数苜蓿根瘤菌(Rhiz obi2 u m meliloti)菌株可以在4

2.5e下生长,极少数根瘤菌可以在4e条件下生长,根瘤菌在60e条件下处理5m i n即全部被杀死。通常认为,许多根瘤菌不能在37e时生长[15],在39e时无法存活[16]。

李兴芳等[17]在对相思根瘤菌的抗逆性初步研究中,将21株相思根瘤菌和2株大豆根瘤菌(Si norhiz obi um fre dii)菌株直接置于气温为8、28、37、43e的环境下培养生长和在55 e下处理20m i n及65e下处理10m i n后移到适宜条件下培养生长[18],发现全部能在37e条件下生长,经55e处理20 m i n以后移到28e条件下培养,快生大豆根瘤菌US D A205和8株相思根瘤菌能够较好地生长,有4株微弱生长;经过65e处理10m i n后有快生大豆根瘤菌US D A205和5株相思根瘤菌能够生长,说明有的菌株耐热性较高[19]。张慧从广西分离的相思树根瘤菌菌株中,有3个能耐39e高温的菌株,表明在相思树根瘤菌中普遍存在着耐高温菌株,同时也证实了根瘤菌分布的地域差异性[20]。黄宝灵等研究了15个分离自不同生态环境的相思树种根瘤菌菌株对温度、p H值、Na C l的耐受性以及抗药性,结果表明,相思树种的根瘤菌有着丰富的抗逆菌株,还有能在高温(39e)下生长较好的菌株有S09号。从萨赫勒热带草原干热环境下分离出来的90%的豇豆根瘤菌(Co wpe a Rh iz obiu m sp.)菌株在40e下生长良好[21]。在苏丹干热地区生长的阿拉伯胶树(Ac aci a se ne2 gal)和智利豆胶树(P ros opis c h ile nsis)根瘤中分离的根瘤菌有较高的最大生长温度(44.2e)[22-23]。万晓红等对陕西杨陵某试验田的22个紫花苜蓿品种的新鲜根瘤分离纯化后得到的52株根瘤菌株进行了耐低温耐高温的研究,发现供试菌株在低温4e时停止生长,在高温40e时均能生长,50e 时均停止生长,60e处理10m i n后放于28e培养,所有菌株正常生长,根瘤菌株能耐瞬间高温[24]。根瘤菌在8 e的低温下,62%的根瘤菌可以缓慢生长,能在39e高温中生长的根瘤菌文献记载只有苜蓿根瘤菌,而菌株能在43 e高温中生长的除苜蓿根瘤菌外,还有岩黄芪(Astr aga l us mo n tic alus)、铃铛刺(H a li mo de ndron halode ndron)、三叶草(T ri foli u m re pe ns)、无叶豆(E re mos parton F isch.etMey)、黑荚豆(Tur uc ania)、锦鸡儿(Caragana)、骆驼刺(Al hag i p s e ud2 oalhag i)等16属豆科植物根瘤菌,可见,温度对根瘤菌生长发育的作用不很明显[25]。徐开未等在对刺槐、紫穗槐、黄檀根瘤菌抗逆性的初步研究中发现,30株分离自四川省凉山州的刺槐(Robinia pse udoac acia)、紫穗槐(A mor pha fr u ticos a)、黄檀(D albe rgia hupe ana)根瘤菌有16.7%的菌株在4~60e均能生长,一般供试菌株耐高温能力强于耐低温[26]。黄檀、紫穗槐根瘤菌耐60e高温和4~10e低温的能力均强于刺槐根瘤菌,供试根瘤菌对温度的抗性主要受宿主植物的影响,在一定程度上还受海拔高度和土壤类型的影响。这与陈文新等提出的根瘤菌与寄主植物及生态环境之间有复杂关系,根瘤菌与豆科植物的共生关系因生态环境的差异而具有多样性的观点基本一致[27]。

在干旱地区可能通常伴有高温,因此被选定的那些耐干旱共生体系也是耐热的。在高温、干旱地区根瘤菌的生长繁殖以及寄主植物侵染和结瘤固氮作用均有别于一般生态地区,而且还表现出与高温干旱地区相适应的耐高温盐碱的特性[8]。最近报道根瘤菌的个别的种类,例如豌豆根瘤菌(Rhiz obi u m le gu minosaru m),是耐热的并能和它们的寄主豆科植物形成有效的共生体系[28,14]。李颖等从特性分析及多位点酶电泳分析2方面对宁夏沙坡头地区根瘤菌的研究表明,在20株新分离的根瘤菌菌株中有12株未知菌在80%的相似性水平上成群,并且有耐盐碱、耐60e高温等特点[29]。这表明在高温干旱区分离出耐高温盐碱的根瘤菌菌株存在着巨大的潜力。陈文新也分离到一些耐高温或低温的宝贵根瘤菌资源[30]。关桂兰等的研究却表明,温度对于干旱地区豆科植物根瘤的形成和固氮活性不是性因子[19]。

因此,在干热河谷地区存在对相对恶劣的自然环境相适应的耐高温干旱的根瘤菌资源,这也是生长在干旱区植物对干旱环境的适应的表现之一。

2接种根瘤菌植株的耐旱性

种子和植株接种根瘤菌能提高植株结瘤率、单株结瘤数、单株根瘤重、促进生长,固氮和提高生物量、增加产量。即使采用根瘤菌与非豆科植物,作物产量也会有所提高,但单纯根瘤菌与禾本科(Gra m ineae)植物拌种,根瘤菌的固氮活性并不高,而在禾本科与接种根瘤菌的豆科植物混作体系中,接种根瘤菌后,豆科植物与禾本科作物的产量均有提高[31],而且植株总生物量氮也明显高于单作[32],表明根瘤菌在混作体系中具有较高的固氮效率。

近来,为未开垦的陆地提供植被覆盖和改良土壤肥力,接种根瘤菌的野生草本豆科植物的适宜性被指出。野生豆科植物的根瘤菌也许有比同族根瘤菌更好的特性。从黄芪属鹰嘴豆(Astraga l u s c ic e r)上分离出来的根瘤菌菌株可成功地接种到紫色苜蓿(M.s ati va)和青豆(P.vul garis)上[33]。从埃及的北方沙漠地区和耕地的野生植物中分离出来的根瘤菌能在蚕豆和豌豆(P.s a tiv u m)上形成有效的根瘤。从野生豆科植物上分离出来的有效根瘤菌去接种其他的豆科作

11979

38卷22期周利平等根瘤菌菌株和接种根瘤菌植株的耐旱性研究进展物是改善根瘤菌-豆科植物共生体系效率一种新的方法。

植物遭受水分胁迫主要是造成根系吸收困难或叶片蒸腾速率较高,这2种因素经常交织在一起。以耐的方式抗旱的植物主要通过细胞体积变小、渗透势降低和束缚水含量增高等来适应干旱;以避的方式抗旱的植物主要通过形成水分散失结构和代谢功能或膨大的根系来降低蒸腾,保持植物体内水分和增加植物根系对水分的吸收。植物叶片相对含量和水势的下降导致光合速率的下降。渗透调节是植株抵御干旱的一种重要方式。无论在严重或轻度水分胁迫下,渗透调节能力强的遗传群体籽粒产量高、收获指数以及收获时的水分利用率均高于渗透调节能力弱的群体[34-35]。这种调节在一定程度上被证明是细胞膨压的变化和一些渗透性活性溶解物的累积[36]。其中一种溶解物是脯氨酸,积累在各种各样的豆科植物中,例如大豆(Glyc inemax)和菜豆,在那些植物中脯氨酸累积与其耐旱性之间呈正相关。其他的化合物,例如游离氨基酸和小分子量的溶解物例如甲基肌醇,积累在干旱胁迫条件下的热带豆科植物中[36-37]。水分胁迫条件下,植物内源激素脱落酸产生对干旱抗性起到重要的作用[38]。受到干旱时,根系合成AB A通过木质部运输到叶片,引起气孔膨压的变化导致气孔关闭,减少水分的进一步散失。植物在受到环境胁迫时,细胞内氧自由基的水平升高,导致D NA的缺失、氨基酸和蛋白氧化、膜脂过氧化引起细胞生理生化变化和代谢紊乱。活性氧攻击胞内较敏感的大分子物质破坏其功能。植物细胞的最终命运决定于体内植物的保护能力。接种不同根瘤菌的苗木,在干旱胁迫过程中,游离脯氨酸等的质量分数在出现了一个高峰后开始降低。这一结果与前人在小麦(T ritic u m se stiv u m)、大麦(H orde u m v u l gare)、苜蓿(M e d ic ago sp.)等植物上所得到的结果一致。

根瘤菌-豆科植物共生体在干旱地区表现出来的是主要的生物固氮作用形式。根瘤菌的耐旱性比寄主植物强而且变化大,在寄主豆科植物的耐旱性范围内选择耐旱的根瘤菌来构成共生体系是可能的。接种耐干热的根瘤菌能提高寄主豆科植物的耐干热能力。

最近,一种耐旱的菜豆栽培品种被鉴定[39],这种豆科植物的干重不受水分亏缺的影响。虽然根瘤的数量和重量随着固氮作用(乙炔还原作用)的减弱而明显地减少,但这些豆科植物要求在干燥气候条件下与耐旱根瘤菌形成有效的共生体系。沙漠地区土壤和干旱地区,与根瘤菌的寄主豆科植物所表现出来的有效的共生特征的存活能力的根瘤菌,例如牧豆树属根瘤菌(P roso pis r h iz obia)已经被认定[4]。A thar等将紫色苜蓿分别放在潮湿和干燥的土壤中进行培育,研究表明,在干旱条件下,UL136和UL222能接种上紫花苜蓿根瘤菌并能有效地与其共生,接种固氮能力强和耐旱的根瘤菌能促进紫色苜蓿的生长和固氮量,这是一种在水分条件下生产紫花苜蓿经济可行的方法[40]。Chri s A.Sh i sa nya在肯尼亚东南部干旱少雨的农区,对宽叶菜豆(Phase olus ac u ti foli2 us A.G ra y var.latif oli us)接种根瘤菌,研究发现,5株根瘤菌中只有1株r3254能显著提高豆荚和种子的干重和种子产量,经过r3254处理后,植物在营养生长期内显著提高了组织内的总氮含量,说明该菌株可能将被用于该地区宽叶菜豆生产之中[41]。在沙漠地区对蚕豆接种根瘤菌能提高植物的重量(鲜重和干重)、每株植物的结瘤量以及树干和果实内氮的含量。曾小红等对接种根瘤菌的相思进行干旱胁迫,发现在一定时间内,接种不同根瘤菌均能提高代谢物质的累积,但从不同寄主分离得到的根瘤菌其作用有一定的差异,代谢物质的累积是相思接种根瘤菌后对干旱胁迫的适应性表现[42]。

3结论

无论自然条件还是人工模拟干旱条件下,均能筛选出耐高温或干旱的根瘤菌株。这些根瘤菌资源能存在于相对恶劣的自然环境下,仍然能表现出区别于一般生态地区的生长繁殖、浸染、固氮等作用,也表明了生长在干旱区的植物对干旱环境的适应。

在干旱地区根瘤菌-豆科植物共生体能够顺利地完成生物固氮过程,而根瘤菌的耐旱性比寄主植物强而且变化大,故而在寄主豆科植物的耐旱性范围内选择耐旱的根瘤菌构成共生体系是可能的,还能通过接种耐干热的根瘤菌提高寄主豆科植物的耐干热能力。

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38卷22期孙太凡酶联免疫吸附分析技术在农药残留分析中的应用